Beoordeling van de kwaliteit van hoogwaterparameters berekend voor de Nederlandse Maas

__________________________________________________________________________________________

Beoordeling van de kwaliteit van hoogwaterparameters berekend voor de Nederlandse Maas

__________________________________________________________________________________________

juli 2007

Auteur P.C. Jansen

Afstudeercommissie

Dr. M.S. Krol

Ir. A.J. Wesselink

Voorwoord

Dit verslag is het resultaat van mijn afstudeeronderzoek voor de studie Civiele Techniek &

Management aan de Universiteit Twente. Het betreft een onderzoek naar de kwaliteit van de hoogwaterparameters berekend voor de Nederlandse Maas.

Ik wil van deze gelegenheid gebruik maken om de leden van de afstudeercommissie, Anne Wesselink en Maarten Krol, te bedanken voor hun ondersteuning, adviezen en tijd. Naast de relevante inbreng voor het afstudeeronderzoek hebben ze mij ervan overtuigd om kritischer te kijken naar zowel bestaand onderzoek als mijn eigen onderzoek. Ten tweede wil ik graag een aantal personen van buiten de Universiteit Twente bedanken voor hun input tijdens de interviews die ik heb afgelegd. Van Rijkswaterstaat-Limburg wil ik Joop Gerretsen bedanken voor zijn inbreng en de bereidwilligheid om mij van de nodige gegevens te voorzien. En Jan Tekstra voor de veldtrip en de uitleg over zijn ervaringen tijdens hoogwatermetingen. Verder ben ik Marcel de Wit van het Rijksinstituut voor Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA) te Arnhem dankbaar voor zijn verhelderende kijk op de maatgevende afvoer en de beschikbaar gestelde rapportages. Hetzelfde geldt voor Paul Torfs van de Universiteit Wageningen die mij met andere ogen achter het hoogwaterbeheer heeft laten kijken. Verder gaat mijn dank uit naar Hermjan Barneveld van HKV

voor de informatie via e-mail en Matthijs Kok van HKV

voor het interview tijdens de beginfase van mijn onderzoek.

Ondanks het uitlopen van de planning ben ik tevreden met het eindresultaat. Ik was me ervan bewust dat het een breedvoerige analyse zou worden om tot het eindresultaat te komen. Juist daarom was het voor mij een uitdaging en bovendien leerzaam.

Nieuw-Bergen, juli 2007

Paul Jansen

Samenvatting

Voor de beoordeling naar de kwaliteit van de hoogwaterparameters van de Maas zijn de onzekerheden geanalyseerd en beoordeeld die voorkomen in de processtappen voor berekening van de maatgevende afvoer. Om uit te leggen waarom deze beoordeling gewenst is, voldoet een toelichting naar de toepassing van de maatgevende afvoer. De maatgevende afvoer is de normafvoer die de rivier veilig zou moeten kunnen verwerken. Wanneer de maatgevende afvoer (MA) door het Ministerie van Verkeer en Waterstaat wordt verhoogd dan zijn rivierverruimende ingrepen nodig om de veiligheid te kunnen waarborgen. De MA heeft dus indirect veel invloed op het rivierlandschap. Het is daarom evident te weten of de MA berekend is volgens betrouwbare methoden gebaseerd op betrouwbare gegevens. Dit afstudeeronderzoek bestaat uit een onzekerheidsanalyse naar de parameters, modellen en methoden die gebruikt zijn voor bepaling van de MA. De analyse is gebaseerd op reeds bestaande onderzoeken in opdracht van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat. Namelijk de Boertien I (1993) en Boertien II (1994) onderzoeken en de Hydraulische Randvoorwaarden 2001 en 2006. Deze onderzoeken zijn vervolgonderzoeken, vandaar dat ze allen betrokken zijn voor de analyse. Ter uitbreiding en bevordering van een objectieve analyse worden twee alternatieve onderzoeken naar de maatgevende afvoer (Gerretsen, 2001 en Klunhaar, 2003) aan de analyse toegevoegd.

De maatgevende afvoer is een afvoer die volgens een schatting eens in de 1.250 jaar kan optreden.

De schatting is gedaan met behulp van statistiek. De statistische berekeningen zijn gebaseerd op een tijdserie bestaande uit de hoogste jaarafvoeren die zijn geregistreerd sinds 1911. De tijdserie met topafvoeren heeft nu een lengte van bijna 100 jaar. Op basis van deze tijdserie moet een extrapolatie worden gedaan voor het bepalen van een afvoer die eens in de 1.250 jaar kan optreden. De onzekerheidsanalyse waar dit afstudeeronderzoek om draait begint bij de herkomst van de topafvoeren in de tijdserie die zijn afgeleid van gemeten afvoeren en waterstanden met meetapparatuur in de Maas. Voor de onzekerheidanalyse is het proces voor berekening van de maatgevende afvoer opgedeeld in vijf deelprocessen. Dit zijn achtereenvolgens:

1. Meting van de afvoeren Q en waterstanden H, voor het:

2. construeren van de QH-relatie, waarmee:

3. de tijdserie met topafvoeren Q

wordt afgeleid door invoer H

in QH-relatie.

4. Toepasing van statistiek gebaseerd op de tijdserie met Q

t.b.v. modellering Q

, voor:

5. bepaling van de maatgevende afvoer Q

De onzekerheidsanalyse is uitgevoerd met behulp van de NUSAP methode. Met deze methode zijn de onzekerheden in de deelprocessen van de MA systematisch gekwantificeerd en gekwalificeerd.

Het kwantificeren van de onzekerheden betreft het bepalen van de bandbreedte onzekerheid (uitgedrukt in een percentage) rond een parameter. Het kwalificeren bestaat uit een beoordeling van de gebruikte methoden, gebruikte hoeveelheid data en toegepaste statistiek. De gekwalificeerde onzekerheden zijn weer gewaardeerd met een score. Daarvoor is de zogenaamde Pedigree tabel gebruikt met daarin criteria voor de methodische, empirische en statistische kwaliteit. Is de beoordeling in overeenstemming met criteria die op een matige kwaliteit duiden, dan wordt de bijbehorende lage score toegekend. Voor een goede kwaliteit wordt vanzelfsprekend een hogere score toegekend.

Uit de opsomming van de vijf deelprocessen valt af te leiden dat deze van elkaar afhankelijk zijn. Zo

ook de ‘hoogwater’parameters in het proces en de onzekerheden die daarbij horen. Het onderzoek is

globaal opgedeeld in twee delen. Voor het eerste gedeelte zijn de onzekerheden van de

hoogwaterparameters met behulp van NUSAP gekwantificeerd en gekwalificeerd. In het tweede gedeelte is de voortplanting van de kwantitatieve en kwalitatieve onzekerheden berekend.

De voortgeplante onzekerheden bepalen uiteindelijk de kwaliteit van de maatgevende afvoer. De kwantitatieve onzekerheden zijn alleen bepaald voor de meest recente MA volgens de Hydraulische Randvoorwaarden 2006. Daarvoor is een maatgevende afvoer berekend van 4.000 m

/s.

Het doorrekenen van de voortgeplante kwantitatieve onzekerheden heeft geleid tot een onzekerheid rond de maatgevende afvoer van 26%. Dit is nog zonder de statistische onzekerheid. De kansverdelingfunctie die gefit is op de tijdserie brengt nog een extra onzekerheid met zich mee in de vorm van het betrouwbaarheidsinterval. Wordt deze toegevoegd dan komt de totale kwantitatieve onzekerheid rond de huidige maatgevende afvoer op 54%.

De kwalitatieve onzekerheden zijn voor alle Rijkswaterstaat onderzoeken en alternatieve onderzoeken met de Pedigree tabel beoordeeld. Voor het berekenen van de voortplanting van de gekwalificeerde onzekerheden (de scores) zijn volgens NUSAP een aantal rekenregels toe te passen. Afhankelijk van of het een optelling, deling of vermenigvuldiging is, én de grootte van de kwantitatieve onzekerheid, wordt het gewicht van de parameter bepaald. Het gewicht geldt vanzelfsprekend ook voor de bijbehorende Pedigree scores. Op deze manier zijn de scores door het hele proces doorgerekend.

Uiteindelijk heeft dat geleid tot scores voor de voortgeplante methodische, empirische, en statistische kwaliteit van de geëvalueerde onderzoeken

Resulterend: de empirische en methodische kwaliteit hebben voor alle Rijkswaterstaat onderzoeken een score van 2.4, uit een range van 0 tot 4. De kwaliteit is - uitgerukt in NUSAP termen - gebaseerd op (in)directe metingen en aanvaardbare methoden. De statistische kwaliteit scoort op alle RWS onderzoeken waarbij klassieke statistiek is toegepast een 2, wat beduidend lager is dan de alternatieve onderzoeken. De oorzaak ligt bij het niet volledig passeren van de statistische toetsen.

Van het alternatieve onderzoek Gerretsen scoort de empirische kwaliteit wat lager en de statistische kwaliteit wat hoger dan de RWS onderzoeken. De methodische kwaliteit is met een score van 1.6 erg laag vanwege de niet bewezen methode voor de frequentieanalyse. Het onderzoek van Klunhaar scoort met name voor de statistische kwaliteit hoog omdat de Bayesiaanse statistiek die daarvoor is toegepast de mogelijkheid biedt extra gegevens (subjectieve waarnemingen van historische hoogwaters) bij de frequentieanalyse te betrekken. Toepassing van Bayesiaanse statistiek geniet zodoende de voorkeur boven de klassieke statistiek.

Voor het verbeteren van de huidige maatgevende afvoer wordt aanbevolen om de aandacht te vestigen op de voorlaatste stap, de frequentieanalyse. De historische afvoeren zijn immers niet meer te reproduceren en daarmee ook niet de QH-relaties. Het uitbreiden van de frequentieanalyse met meer kansverdelingfuncties of het introduceren van de Bayesiaanse statistiek draagt bij aan een breder draagvlak voor de vastlegging van de maatgevende afvoer.

De NUSAP methode waarmee de onzekerheden zijn gekwantificeerd en gekwalificeerd is een prima

uitgangspunt geweest voor de onzekerheidsanalyse. Alleen voor berekening van de voortplanting van

de onzekerheden konden de rekenregels volgens NUSAP niet altijd worden toegepast. De QH-relatie

is hiervan de oorzaak. De grafische afleiding van de QH-relatie op basis van meetpunten gaf

moeilijkheden bij het bepalen van de gewichten en de voortplanting van de kwantitatieve en

kwalitatieve onzekerheden. Desondanks is met creatieve oplossingen toch tot een eindresultaat

gekomen.

Inhoudsopgave

VOORWOORD SAMENVATTING

LIJST VAN FIGUREN ... 5

LIJST VAN TABELLEN... 7

1. INLEIDING... 9

1.1 O

... 10

1.2 O

R

... 12

1.3 A

... 13

1.4 M

... 13

2. METING H EN Q ... 17

2.1 I

... 17

2.1.1 Hoogwatermetingen ... 18

2.1.2 Beoordeling onzekerheden ... 19

2.2 M

... 20

2.2.1 Waterstandsmeting... 21

2.2.2 Stroomsnelheidsmeting ... 24

2.2.3 Afvoermeting ... 34

2.2.4 Bepaling dwarsprofiel ... 36

2.5 O

... 38

3. QH-RELATIES... 39

3.1 I

... 39

3.1.1 Veranderingen QH-relaties in de 20

eeuw... 40

3.1.2 Onzekerheden... 41

3.1.3 Historische QH-relaties ... 45

3.2 P

1911-1932... 47

3.3 P

1933-1950... 52

3.4 P

1951-1970... 55

3.5 P

1971 -1987... 59

3.6 P

1988

- 2000 ... 62

3.7 P

2000 ... 64

3.8 O

... 67

4. TIJDSERIE HOGE Q ... 68

4.1 I

... 68

4.1.2 Gebruikte basismeetreeks... 68

4.1.3. Toegevoegde historische afvoergegevens ... 69

4.1.4 Correcties afvoergegevens ... 69

4.1.5 Beoordeling onzekerheden ... 70

4.2 O

B

I ... 71

4.2.1 Gebruikte basismeetreeks... 71

4.2.2 Correcties afvoergegevens ... 72

4.2.3 Onzekerheden... 72

4.3 O

B

II ... 73

4.3.1 Gebruikte basismeetreeks... 73

4.3.2 Verlenging basismeetreeks... 73

4.3.3 Correcties afvoergegevens ... 73

4.3.4 Onzekerheden... 75

4.4 H

R

2001 ... 77

4.4.2 Verlenging basismeetreeks... 77

4.4.3 Correcties afvoergegevens ... 78

4.4.4 Onzekerheden... 79

4.5 H

R

2006 ... 81

4.5.1 Gebruikte basismeetreeks... 81

4.5.2 Correcties afvoergegevens ... 82

4.5.3 Onzekerheden... 82

4.6 M

K

... 83

4.6.1 Gebruikte basismeetreeks... 83

4.6.2 Toevoeging extra gegevens ... 83

4.6.3 Correcties afvoergegevens ... 83

4.6.4 Onzekerheden... 83

4.7 M

G

... 84

4.7.1 Gebruikte basismeetreekss ... 84

4.7.2 Verlenging basismeetreeks... 85

4.7.3 Correcties afvoergegevens ... 85

4.7.4 Onzekerheden... 86

4.8 O

... 87

5. STATISTIEK ... 88

5.1 I

... 88

5.1.1 Overzicht van in de onderzoeken toegepaste statistiek ... 88

5.1.3 Werkwijze frequentieanalyse... 90

5.1.4 Onzekerheden... 93

5.2 E

... 96

5.2.1 Boertien I... 96

5.2.2 Boertien II ... 100

5.2.3 Hydraulische Randvoorwaarden 2001... 102

5.2.4 Hydraulische Randvoorwaarden 2006... 103

5.2.5 Onderzoek Klunhaar ... 104

5.2.6 Onderzoek Gerretsen ... 108

5.2.7 Gevoeligheidsanalyse... 112

5.3 O

... 117

6. BEOORDELING MAATGEVENDE AFVOER ... 118

6.1 V

... 118

6.1.1 Voortplanting gekwantificeerde onzekerheden ... 118

6.1.2 Voortplanting gekwalificeerde onzekerheden ... 123

6.2 A

... 132

6.3 P

... 137

6.4 M

... 139

LITERATUUR ... 142

BIJLAGE 1. ADCP METINGEN BORGHAREN EN ST. PIETER ... 145

BIJLAGE 2. OVERZICHT VERANDERINGEN GRENSMAAS ... 146

BIJLAGE 3. OVERZICHT BASISMEETREEKSEN ... 147

BIJLAGE 4. GEMETEN WATERSTANDEN TIJDENS DIVERSE JAARMAXIMA TUSSEN 1925 EN 1945 ... 149

BIJLAGE 5. METHODEN PLOT POSITIES JAARMAXIMA... 152

BIJLAGE 6. HISTOGRAMMEN MET KANSVERDELINGSFUNCTIES... 153

BIJLAGE 7. MOM PARAMETERS KLASSIEKE STATISTIEK ... 156

Lijst van Figuren

FIGUUR 1.1 CONSTRUCTIE EN GEBRUIK VAN DE QH-RELATIE ...10

FIGUUR 1.2 TIJDSERIE MET JAARMAXIMA PERIODE 1911-2003 ...11

FIGUUR 1.3 SCHEMA ONDERZOEKSOPZET...12

FIGUUR 1.4 MEETFOUTEN ...15

FIGUUR 2.1 METINGEN BORGHAREN TOT 1.200 M³/S KILOMETERRAAI 16,0. ...17

FIGUUR 2.2 METINGEN ST. PIETER BOVEN 1.200M³/S. KILOMETERRAAI 10,8. ...17

FIGUUR 2.3 Q-T RELATIE BORGHAREN MAART 2006 ...18

FIGUUR 2.4 PEILSCHAAL ...21

FIGUUR 2.5 PRINCIPEWERKING PEILSCHRIJVER...22

FIGUUR 2.6 BOVENAANZICHT PRINCIPEWERKING STOKDRIJVER ...24

FIGUUR 2.7 OTT-MOLEN ...26

FIGUUR 2.8 VERSCHILLENDE TECHNIEKEN VOOR DEBIETMETINGEN ...26

FIGUUR 2.9 TOENAME FOUT BIJ AFNAME VAN VERTICALEN ...27

FIGUUR 2.10 FLUCTUATIES DEBIET T.O.V GEMIDDELDE AFVOER TIJDENS EEN ADCP METING ...28

FIGUUR 2.11A EN B. STROOMSNELHEID DWARSDOORSNEDE EN LANGSDOORSNEDE RIVIER...29

FIGUUR 2.12 METING VOLGENS JANUS-CONFIGURATIE MET BEWEGENDE BOOT ...30

FIGUUR 2.13 JANUS CONFIGURATIE ADCP-METING ...30

FIGUUR 2.14 HET DOOR RWS-LIMBURG SINDS 2001 GEBRUIKTE ADCP MEETSCHIP, TIJDENS EEN HOOGWATERMETING IN RAVENSTEIN...30

FIGUUR 2.15 GEMETEN PROFIEL EN MARGE ZONES ADCP ...31

FIGUUR 2.16 VERGELIJKING AFVOERMETINGEN OTT-MOLEN EN ADCP ...31

FIGUUR 2.17 ADCP METINGEN EN QH-RELATIE BORGHAREN ...33

FIGUUR 2.18 IMPRESSIE VAN EEN AKOESTISCHE AFVOERMEET LOCATIE ...34

FIGUUR 2.19 ADCP- EN ADM-METINGEN ST. PIETER T.O.V. QH-RELATIE 1996 ...35

FIGUUR 3.1 HUIDIGE QH-RELATIE BORGHAREN (1998) ...39

FIGUUR 3.2 QH-RELATIE BORGHAREN 1958-1962 ...40

FIGUUR 3.3 ONZEKERHEIDSMARGES MEETPUNTEN MET QH-RELATIE ...43

FIGUUR 3.4 QH-RELATIES 1926 TOT 2015. ...46

FIGUUR 3.5 QH RELATIES MAASTRICHT 1924 EN 1926 ...47

FIGUUR 3.6 QH-RELATIE BORGHAREN 1911-1932 ...48

FIGUUR 3.7 QH-RELATIES OP BASIS VAN STOKDRIJVERMETINGEN TE MAASTRICHT...49

FIGUUR 3.8 JAARMAXIMA HYDROLOGISCHE JAREN 1911-1932 ...51

FIGUUR 3.9 VERLOOP VAN WATERSTANDEN TE BORGHAREN-BENEDEN BIJ AFVOER VAN 100 M³/S...52

FIGUUR 3.10 QH RELATIES BORGHAREN EN VISÉ ...53

FIGUUR 3.11 JAARMAXIMA HYDROLOGISCHE JAREN 1933-1950 ...55

FIGUUR 3.12 QH RELATIE 1958 OP BASIS VAN OTT-MOLENMETINGEN ...56

FIGUUR 3.13 QH RELATIES 1953 T/M 1966 ...57

FIGUUR 3.14 JAARMAXIMA HYDROLOGISCHE JAREN 1951-1970 ...58

FIGUUR 3.15 QH RELATIES 1971, 1976 EN 1984. ...60

FIGUUR 3.16 JAARMAXIMA EN QH-RELATIES 1971-1984...60

FIGUUR 3.17 JAARMAXIMA 1971-1987...61

FIGUUR 3.18 QH RELATIES 1984, 1991 EN 1998 ...62

FIGUUR 3.19 JAARMAXIMA 1988-2000...64

FIGUUR 3.20 QH RELATIE 1998 EN BEREKENDE QH RELATIE 2015 IVM MAASWERKEN...66

FIGUUR 3.21 QH RELATIE ST. PIETER 1998 MET ADM/ADCP METINGEN...65

FIGUUR 3.22 QH RELATIES OVERLAAT BOSSCHERVELD, ST. PIETER EN BORGHAREN...65

FIGUUR 4.1 JAARMAXIMA EN AFVOERPIEKEN...68

FIGUUR 4.2 GEMETEN EN BEREKENDE AFVOERGOLF VAN 1993 ...75

FIGUUR 4.3 FREQUENTIE VAN GEREGISTREERDE HOOGWATERS UIT HET VERLEDEN ...77

FIGUUR 4.4 JAARMAXIMA EN QH-RELATIE. ...80

FIGUUR 5.1 GEBRUIKELIJKE WEERGAVE VAN EEN FREQUENTIEANALYSE MET PLOTPOSITIES JAARMAXIMA EN HET BETROUWBAARHEIDSINTERVAL, GUMBEL VERDELING ...92

FIGUUR 5.2 95% EN 99% BETROUWBAARHEIDSINTERVAL ...95

FIGUUR 5.3 FIT VAN DE VERDELINGSFUNCTIES MET PLOTPOSITIES JAARMAXIMA VOLGENS HET BOERTIEN I ONDERZOEK ...98

FIGUUR 5.4 FREQUENTIEPLOTS VAN BAYESIAANSE EN KLASSIEKE STATISTIEK ...106

FIGUUR 5.5 HISTOGRAM JAARMAXIMA 475 – 1.975 M³/S ...109

FIGUUR 5.6 HISTOGRAM JAARMAXIMA MET PEARSON III VERDELING VOLGENS GERRETSEN ...110

FIGUUR 5.7 MAATGEVENDE AFVOER EN BEN JAARMAXIMA 1911-2006...112

FIGUUR 5.8 MAATGEVENDE AFVOER EN 95% BETROUWBAAR-HEIDSINTERVAL 1911-2006 ...112

FIGUUR 5.9 MAATGEVENDE AFVOER NA 1931 EN JAARMAXIMA 1911-2006 ...113

FIGUUR 5.10 MAATGEVENDE AFVOER EN BETROUWBAAR-HEIDSINTERVALLEN 1931-2006 EN 1966-2006 ...113

FIGUUR 5.11 GEZAMENLIJKE PLOT VERDELINGSFUNCTIES MET MOM EN MLE PARAMETERSCHATTING VOOR DE ‘FICTIEVE’ MAATGEVENDE AFVOEREN VAN 1976 T/M 2006 ...114

FIGUUR 5.12 INTERVALLEN EN AFVOEREN BIJ T = 25 JAAR EN T = 1250 JAAR EN REEKSLENGTE N = 90 ...115

FIGUUR 5.13 INTERVALLEN EN AFVOEREN BIJ T = 1250 JAAR EN REEKSLENGTES VAN N = 20, N = 50, N = 90 ...115

FIGUUR 6.1 QH-RELATIES 1926 EN 1975 MET SPREIDING MEETDATA EN PERIODE SPECIFIEKE ONZEKERHEID (STIPPELLIJNEN)...119

FIGUUR 6.2 QH-RELATIE 1926 MET ONZEKERHEID AFGELEIDE Q VOOR RESP 2.000 EN 2.500 M³/S...120

FIGUUR 6.3 QH-RELATIE 1975 MET ONZEKERHEID AFGELEIDE Q VOOR RESP. 2.000, 2.500 EN 3.000 M³/S...120

FIGUUR 6.4 MAATGEVENDE AFVOER MET GEPROPAGEERDE ONZEKERHEDEN (STIPPELLIJNEN)...122

FIGUUR 6.5 VOORBEELD VAN VERHOUDING TUSSEN DE PARAMETERSPREIDING (S) EN DE PARAMETERAFSTAND (D) ...123

FIGUUR 6.6 SCHEMATISCHE WEERGAVE VAN DE LOCATIES VAN DE GEKWALIFICEERDE ONZEKERHEDEN ...127

FIGUUR 6.7 PEDIGREE SCORES GEPROPAGEERDE ONZEKERHEDEN ...130

FIGUUR 6.8 GEMIDDELDE PEDIGREE SCORES GEPROPAGEERDE ONZEKERHEDEN...131

Lijst van Tabellen

TABEL 1.1PEDIGREE MATRIX VOOR ONZEKERHEIDSANALYSE ...16

TABEL 2.1 OVERZICHT GEBRUIKTE MEETINSTRUMENTEN BORGHAREN ...20

TABEL 2.2 COËFFICIËNTEN VOOR STROOMSNELHEDEN GEMETEN MET STOKDRIJVERS IN DE VS ...24

TABEL 2.3 RESULTATEN ADCP- EN OTT-METINGEN TE VENLO, RAVENSTEIN EN MEGEN ...32

TABEL 2.4 OVERZICHT BEOORDELING GEKWANTIFICEERDE EN GEKWALIFICEERDE ONZEKERHEDEN VAN DE MEETINSTRUMENTEN...38

TABEL 3.1 AFVOEREN BIJ EIJSDEN FEBRUARI 1962 ...40

TABEL 3.2 WATERSTANDEN AAN DE HOOFDPEILSCHALEN GEDURENDE DE HOOGWATERPERIODEN IN 1924, 1926, 1939 EN 1952 ...52

TABEL 3.3 OVERZICHT GEBRUIKTE QH-RELATIES BORGHAREN-BENEDEN 1953 T/M1971 ...57

TABEL 3.4 OVERZICHT GEBRUIKTE QH-RELATIES IN DE PERIODE 1971-1980 ...59

TABEL 3.5 JAARMAXIMA 2000-2004 ...65

TABEL 3.6 OVERZICHT BEOORDELING GEKWANTIFICEERDE EN GEKWALIFICEERDE ONZEKERHEDEN QH- RELATIES...67

TABEL 4.1 OVERZICHT NUSAP BEOORDELING VOOR DE REEKSEN JAARMAXIMA EN AFVOERPIEKEN...70

TABEL 4.2 OVERZICHT HERHALINGSTIJDEN DOOR TOEVOEGING HISTORISCHE AFVOEREN ...73

TABEL 4.3 KLASSENBREEDTES VAN DE VAN DE AFVOERKLASSEN WAARIN DE HISTORISCHE HOOGWATERS ZIJN INGEDEELD. ...78

TABEL 4.4 CORRECTIES JAARMAXIMA AFVOEREN VAN DE HYDROLOGISCHE JAREN (M³/S)...79

TABEL 4.5 HET AANTAL TOPAFVOEREN MET ONDERGRENS...81

TABEL 4.6 HERHALINGSTIJDEN JAARMAXIMA ...85

TABEL 4.7 OVERZICHT BEOORDELING METHODISCHE KWALITEIT VOOR OMGANG TIJDSERIE HOGE Q VOLGENS NUSAP...87

TABEL 4.8 OVERZICHT EMPIRISCHE EN METHODISCHE BEOORDELING KWALITEIT VOLGENS NUSAP...87

TABEL 5.1 OVERZICHT STATISTISCHE KENMERKEN VAN DE ONDERZOEKEN ...89

TABEL 5.2 VERDELINGSFUNCTIES DIE ZIJN ONDERZOCHT VOOR HET BOERTIEN I ONDERZOEK ...96

TABEL 5.3 RESULTATEN BEREKENINGEN BOERTIEN I...99

TABEL 5.4 VERSCHIL MAATGEVENDE AFVOEREN TUSSEN BOERTIEN I EN BOERTIEN II ONDERZOEKEN...100

TABEL 5.5 RESULTATEN BEREKENINGEN BOERTIEN II...101

TABEL 5.6 VERGELIJK HOOGSTE JAARMAXIMA BOERTIEN I EN BOERTIEN II...101

TABEL 5.7 RESULTATEN BEREKENINGEN MET PERCENTAGES GEWOGEN GEMIDDELDE HR 2001 (RWS, 2001) ...102

TABEL 5.8 RESULTATEN BEREKENINGEN HR 2006 ...103

TABEL 5.9 VERGELIJK HOOGSTE JAARMAXIMA BT II EN HR 2006...104

TABEL 5.10 RESULTATEN GEVOELIGHEIDSANALYSE BAYESIAANS MODEL I ...105

TABEL 5.11 RESULTATEN GEVOELIGHEIDSANALYSE BAYESIAANS MODEL II ...106

TABEL 5.12 95% BETROUWBAARHEIDSINTERVALLEN...107

TABEL 5.13 KANSVERDELINGFUNCTIES VOOR GEKNIKTE REEKS JAARMAXIMA...108

TABEL 5.14 BETROUWBAARHEIDSINTERVALLEN ONDERZOEK GERRETSEN...111

TABEL 5.15 OVERZICHT STATISTISCHE BEOORDELING KWALITEIT VOLGENS NUSAP...117

TABEL 5.16 OVERZICHT EMPIRISCHE EN METHODISCHE BEOORDELING KWALITEIT VOLGENS NUSAP ...117

TABEL 6.1 SPREIDING Q EN H ...118

TABEL 6.2 MEETPUNTONZEKERHEID EN PERIODE SPECIFIEKE ONZEKERHEID. ...119

TABEL 6.3 SPREIDINGEN VOOR DE FICTIEVE TIJDSERIES ...121

TABEL 6.4 RESULTATEN VOORTPLANTING GEKWANTIFICEERDE ONZEKERHEDEN...122

TABEL 6.5 OVERZICHT KWALITATIEVE BEOORDELING METING U, Q EN A ...126

TABEL 6.7 OVERZICHT KWALITATIEVE BEOORDELING H...126

TABEL 6.8 OVERZICHT KWALITATIEVE BEOORDELING QH-RELATIE...127

TABEL 6.9 GEWICHTEN VAN DE PARAMETERS ...128

TABEL 6.10 EMPIRISCHE EN METHODISCHE KWALITEIT VOOR QMAX ...128

TABEL 6.11 GEWICHTEN VOOR DE PERIODEN IN DE TWEE TIJDSERIES ...129

TABEL 6.12 GEWOGEN GEMIDDELDE PEDIGREE SCORES VOOR DE TIJDSERIE...129

TABEL 6.13 PEDIGREE SCORES VOOR DE TIJDSERIE IN DE ONDERZOEKEN ...129

TABEL 6.14 OVERZICHT VOORTGEPLANTE PEDIGREE SCORES ...130

TABEL 6.15 OVERZICHT VAN HET ONDERZOEK NAAR DE KWALITEIT VAN DE MAATGEVENDE AFVOER...132

TABEL 6.16 OVERZICHT BEREKENDE MAATGEVENDE AFVOEREN VAN DE GEËVALUEERDE ONDERZOEKEN ...136

1. Inleiding

De rivier de Maas is een regenrivier en heeft daardoor een sterk wisselend afvoergedrag, vooral afhankelijk van de hoeveelheid neerslag in de Belgische Ardennen. De gemiddelde jaarafvoer van de Maas is ongeveer 240 m

/s maar een hoge afvoergolf in de wintermaanden kan wel het tienvoudige debiet afvoeren. De Maas krijgt in de Ardennen aansluiting van een aantal zijrivieren, die vanwege de rotsachtige bodem en het steile verhang binnen korte tijd het regenwater op de Maas kunnen lozen (Berger, 1993). Een hevige en langdurige regenbui in de Ardennen veroorzaakt onvermijdelijk een hoge tot extreem hoge afvoer in de Maas. Vooral in Nederland levert dat problemen op vanwege de relatief hoge ligging van de rivier ten opzichte van het omringende landschap. Dit in tegenstelling tot de Belgische Maas die een diepere ligging heeft.

Om de kans op overstromingen te beperken worden rivierverruimende ingrepen verricht zoals uiterwaardverlaging, dijkverlegging en het creëren van overloopgebieden. Dergelijke ingrepen worden gebaseerd op een normafvoer die de rivier veilig zou moeten kunnen verwerken. Deze normafvoer wordt ook wel de maatgevende afvoer genoemd. Momenteel wordt het Grensmaasproject in Limburg uitgevoerd dat is gebaseerd op een maatgevende afvoer van 3.450 m

/s. Na voltooiing van dit project moet de Limburgse Maas deze afvoer kunnen verwerken zonder dat overstromingen optreden.

Overigens wordt voor de Maas benedenstrooms van Limburg een hogere norm gehanteerd van 3.800 m

/s.

De berekening van de maatgevende afvoer vormt de kern van dit afstudeeronderzoek. De titel van het afstudeeronderzoek “Beoordeling van de kwaliteit van hoogwaterparameters berekend voor de Nederlandse Maas” is ook te omschrijven als de beoordeling van de kwaliteit van de huidige maatgevende afvoer.

De vaststelling van de maatgevende afvoer wordt voorafgegaan door een proces dat begint bij het collecteren van data voor invoer van de berekening. Het onderzoek is opgebouwd rond vijf processtappen die benodigd zijn voor bepaling van de maatgevende afvoer. De kwaliteit van de maatgevende afvoer hangt af van de hoeveelheid gekwantificeerde en gekwalificeerde onzekerheden.

Om de analyse op een aanvaardbare en gelijkwaardige diepgang te houden, wordt de NUSAP methode gebruikt. Daarmee worden de twee typen onzekerheden systematisch geanalyseerd en beoordeeld. In iedere processtap worden de onzekerheden volgens dezelfde methodiek geanalyseerd. Vervolgens wordt bekeken in hoeverre de afzonderlijke onzekerheden door het gehele proces zich voortplanten. De voortgeplante onzekerheden bepalen uiteindelijk de kwaliteit van de maatgevende afvoer.

In opdracht van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat zijn al een aantal onderzoeken naar de

maatgevende afvoer uitgevoerd. De analyse in dit rapport bestaat voor een groot gedeelte uit een

evaluatie van deze onderzoeken. Ter uitbreiding en bevordering van een objectieve analyse worden

twee alternatieve onderzoeken naar de maatgevende afvoer aan de analyse toegevoegd.

1.1 Opbouw van het rapport

De opbouw van dit onderzoeksrapport komt praktisch overeen met processtappen die benodigd zijn voor het berekenen van de maatgevende afvoer. Om een idee te krijgen welke processtappen benodigd zijn, volgt eerst een korte toelichting op de totstandkoming van de maatgevende afvoer.

De huidige door Rijkswaterstaat bepaalde maatgevende afvoer van de Maas is een waarde uitgedrukt in m

/s die volgens een schatting gemiddeld eens in de 1.250 jaar zal voorkomen, ook wel de herhalingstijd genoemd. Voor de Maas in het gehele Limburgse traject wordt een herhalingstijd van 250 jaar gehanteerd. De schatting is met behulp van statistiek gedaan. De statistische berekeningen zijn gebaseerd op een tijdserie met topafvoeren (hoogst opgetreden afvoer in een bepaald jaar) die zijn opgetreden in het verleden. Een schematische weergave van de tijdserie is gegeven in Figuur 1.2 op pagina 11. De statistiek gaat uit van het gebruiken van gegevens uit het verleden om een uitspraak te doen voor de toekomst. Met andere woorden: De topafvoeren die zijn verzameld over de laatste 100 jaar worden gebruikt om een schatting te doen over een afvoer (de maatgevende afvoer) die eens in de 1.250 jaar kan optreden. Voor het onderzoek wordt een analyse gedaan naar de onzekerheden in de berekening van de maatgevende afvoer. De analyse begint dus bij de herkomst van deze afvoeren, het meten met de meetapparatuur in de Maas.

De topafvoeren zijn afgeleid van gemeten afvoeren vanaf het jaar 1911. Dat wil zeggen dat ze niet direct van metingen afkomstig zijn.

Daartussen zit nog een model dat gebaseerd is op de meetpunten. Het model hoort bij processtap 2. De metingen horen bij de eerste processtap. Het gaat hier om de gemeten afvoeren en waterstanden. Daarbij moet worden opgemerkt dat de afvoermeting bestaat uit een stroomsnelheidsmeting en de oppervlaktemeting van het dwarsprofiel. De stroomsnelheid uitgedrukt in m/s wordt vermenigvuldigd met het dwarsprofiel in m

. Zo wordt de afvoer in m

/s verkregen. De maatgevende afvoer is daarom in eerste instantie afhankelijk van de waterstandmetingen, stroomsnelheidmetingen en dwarsprofiel-metingen die zijn uitgevoerd sinds 1911. De belangrijkste onzekerheden die voorkomen gedurende een meting zijn:

- onzekerheid in de meetdata;

- onzekerheden met betrekking tot de uitvoering van de metingen;

- onzekerheden met betrekking tot het functioneren van de meetapparatuur.

De afleiding van de topafvoeren gebeurt via een

model dat afvoeren (Q) genereert na invoering

van de waterstand (H). Dit model – de QH-

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

1911 1925 1939 1953 1967 1981 1995

Jaar

Afvoer m3/s

Figuur 1.1 geeft in het kort de constructie en het gebruik van de QH-relatie weer. De meetpunten van de afvoermetingen worden met de waterstand die gelijktijdig is gemeten, op een assenstelsel uitgezet.

Door de punten kan vervolgens een lijn (curve) getrokken worden, en de QH-relatie is een feit. Deze kan nu worden gebruikt voor afleiding van waterstandsmetingen. Na het invoeren van de topwaterstand van een bepaald jaar, kan de topafvoer worden afgelezen. Het onderste plaatje in Figuur 1.1 geeft dit weer. De reden dat de afvoeren niet direct van metingen worden afgeleid is verklaarbaar: De QH-relatie levert het voordeel dat niet continu intensieve afvoermetingen hoeven te worden uitgevoerd. Aangezien een waterstandsmeting veel eenvoudiger en sneller is uit te voeren bespaart de QH-relatie de moeite van het afvoermeten. Een QH-relatie hoeft in principe maar één keer gemaakt te worden en kan vervolgens een aantal jaren worden gebruikt. Om de QH-relatie actueel te houden zijn wel incidenteel controlemetingen nodig. De tweede processtap bestaat uit de fabricage en het gebruik van de QH-relatie. De onzekerheid van de QH-relatie is onder andere afhankelijk van de onzekerheid van de meetpunten en het aantal beschikbare meetpunten.

De afgeleide topafvoeren vanaf 1911 worden samengevoegd in de tijdserie. De tijdserie met hoge afvoeren dient als input voor de statistische berekeningen. Om de tijdserie geschikt te maken voor de statistiek worden door Rijkswaterstaat correcties uitgevoerd. Met het corrigeren wordt beoogd een meer homogene reeks van afvoeren te verkrijgen. De afvoeren zijn in de loop van de jaren onder variabele omstandigheden opgetreden - door onder andere grindonttrekking, baggerwerkzaamheden en kanalisering - en voor toepassing van de statistiek is het wenselijk dat de gegevens homogeen zijn. Het samenstellen en corrigeren van de serie jaarmaxima is de processtap alvorens de statistiek wordt toegepast. In Figuur 1.2 is de tijdserie met topafvoeren vanaf 1911 weergegeven.

De onzekerheid van de tijdserie is voor een belangrijke mate afhankelijk van de afgeleide Q’s. Verder is de beschikbare kennis voor het doen van correcties een toegevoegde (on)zekerheidsfactor.

Na het corrigeren van de tijdserie kan de statistiek - bestaande uit een frequentieanalyse - worden toegepast. De frequentieanalyse maakt het mogelijk om de afvoer behorende bij een herhalingstijd te berekenen. In dit geval is dat de maatgevende afvoer behorende bij een herhalingstijd van 250 of 1.250 jaar. In het vervolg wordt alleen gesproken over 1.250 jaar aangezien dit de landelijk (met uitzondering van Limburg) toegepaste norm is.

Figuur 1.2 Tijdserie met jaarmaxima periode 1911-2003

Het proces om tot de maatgevende afvoer te komen kan nu worden onderverdeeld in vijf deelprocessen. De processtappen om de maatgevende afvoer te berekenen zijn in Figuur 1.3 op chronologische wijze weergegeven.

1.

Meting Q en H Æ

2.

QH-relatie Æ

3.

Tijdserie hoge Q

Æ

4.

Statistiek Æ

5.

Maatgevende afvoer

Het rapport gaat uit van deze opbouw. Een belangrijk voordeel van deze opbouw is dat de doorwerking van onzekerheden in de processtappen meer inzichtelijk wordt gemaakt. Daarmee wordt tevens de analyseopzet van dit onderzoek verklaard. Van elke procestap worden de onzekerheden in kaart gebracht die uiteindelijk effect hebben op de onzekerheid van de maatgevende afvoer. Alvorens in te gaan op de wijze van het beoordelen van de onzekerheden wordt eerst toegelicht welke studies geëvalueerd worden in dit onderzoek. Dit zijn de voor Rijkswaterstaat uitgevoerde onderzoeken en een tweetal alternatieve onderzoeken.

1.2 Onderzoeken Rijkswaterstaat

In het begin van de 20

eeuw werd nog niet gesproken van een maatgevende afvoer maar werd als maatstaf voor dijkhoogten de hoogst bekende waterstand plus een halve meter gehandhaafd (RIVM, 2004). Na de ernstige overstromingen in 1926 en 1953 werd duidelijk dat er meer gedaan moest worden voor de bescherming tegen overstromingen. In 1953 werd de Deltacommissie ingesteld die de een herhalingstijd voor de maatgevende afvoer vaststelde van 3000 jaar, destijds voornamelijk bedoeld voor de Rijn. Dit zou leiden tot zeer ingrijpende veranderingen in het rivierengebied omdat de bijbehorende maatgevende afvoer eveneens zeer hoog was. Door de weerstand tegen deze norm gebeurde er in de jaren daarna niet veel op het gebied van dijkverbeteringen. In 1977 werd de Commissie Becht ingesteld die adviseerde om de herhalingstijd te verlagen tot 1.250 jaar, welke tot op heden gehandhaafd wordt. Ten grondslag aan deze norm lag de algemene redenatie dat de riviergebieden economisch vergelijkbaar waren met Friesland, Groningen en Zeeland maar dat de gevolgen van een overstroming door zoet water minder groot zouden zijn dan een overstroming door zout water. Opnieuw stagneerde de dijkversterking vanwege het ontbreken van maatschappelijk draagvlak (RIVM, 2004).

In 1993 heeft het Ministerie van Verkeer en Waterstaat de Commissie Boertien I ingesteld voor het onderzoek ‘Toetsing uitgangspunten rivierdijkversterkingen’. Voor het onderzoek is met gebruik van verschillende kansverdelingen een maatgevende afvoer (MA) voor de Maas berekend van 3.685 m

/s.

Het hoogwater van december 1993 was met het uitbrengen van het rapport in juni nog niet opgetreden. In de MA is het effect van modernisering van de Belgische Maas meegenomen door middel van een correctiewaarde. Aangezien het effect van de modernisering niet nauwkeurig kon worden geschat, werd voorgesteld de MA te handhaven op 3.650 m

/s. Opvallend is dat de waterstand van deze afvoer (46,3m Borgharen) overeenkomt met de oude maatstaf; de hoogst gemeten waterstand (1926 = 45,8m te Borgharen) plus een halve meter.

Nadat in december 1993 het extreme hoogwater was opgetreden, werd de Commissie Boertien in 1994 opnieuw aangesteld om vervolgonderzoek te verrichten. Ditmaal voor het ‘Onderzoek Watersnood Maas’. Dit onderzoek kenmerkte zich door de uitgebreide studie naar het corrigeren van oudere jaarmaxima. Er werd een MA berekend van 3.800 m

/s.

Figuur 1.3 Schema onderzoeksopzet

Naar aanleiding van de ‘Wet op de waterkering’ zijn in 1996 de Hydraulische Randvoorwaarden (HR1996) opgesteld waarin onder andere de leidraad voor bepaling van de MA is vastgelegd. Vanaf het in werking treden van deze norm wordt de MA iedere vijf jaar opnieuw berekend. Voor de HR 1996 is de hoogte van de MA vastgesteld op 3.650 m

/s. De hoogwaters van 1993 en 1995 zijn nog niet meegenomen in de berekening van de MA van 1996 (2). De rivierdijkverhogingen uitgevoerd tijdens het grootschalige project ‘Deltaplan Grote Rivieren’ zijn gebaseerd op deze maatgevende afvoer. Zodoende kan de Maas een afvoer 3.650 m

/s nu ‘veilig’ verwerken.

In 2001 is naar aanleiding van de tweede termijn Hydraulische Randvoorwaarden (HR2001) een nieuwe maatgevende afvoer vastgesteld van 3.800 m

/s. Ditmaal is dat gebeurd door het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA). In het Boertien II onderzoek werd deze waarde in 1994 ook berekend, zónder dat het hoogwater van 1995 was meegenomen. Het verhogende effect door toevoeging van het hoogwater van 1995 is gecompenseerd doordat het RIZA de hoge afvoeren op een andere manier heeft afgeleid (zie § 4.4). Het is de bedoeling dat in 2015 de niet-Limburgse Maas de maatgevende afvoer van 3.800 m

/s veilig kan verwerken. Op het moment worden de Maaswerken uitgevoerd die gebaseerd zijn op deze afvoer. Met uitzondering van het Grensmaasproject in Limburg waarvoor 3.450 m

/s wordt gehanteerd (pers. comm. Gerretsen, 2006).

In 2006 zijn de Hydraulische Randvoorwaarden opnieuw vastgesteld waarmee tevens de maatgevende afvoer is herberekend. De periode van vijf toegevoegde jaren bevat een aantal hoge hoogwaters waardoor de maatgevende afvoer is verhoogd naar 4.000 m

/s. De berekeningswijze komt exact overeen met de HR2001. Op basis van deze maatgevende afvoer zijn nog geen rivierverruimende ingrepen gepland. Vanwege de met HR2001 overeenkomstige berekeningsmethode wordt de analyse enigszins kort gehouden. Het effect van de twee extra hoge hoogwaters in 2002 en 2003 op de maatgevende afvoer geeft wel inzicht in de gevoeligheid van de toegepaste statistiek.

De onderzoeken Boertien I, Boertien II en de Hydraulische Randvoorwaarden 2001 en 2006 worden in de hoofdstukken 2 tot en met 6 geanalyseerd.

1.3 Alternatieve onderzoeken

Behalve de onderzoeken in opdracht van Rijkswaterstaat zijn er twee alternatieve onderzoeken uitgevoerd naar de maatgevende afvoer. Gerretsen (2001) en Klunhaar (2003) hebben onderzoek uitgevoerd met een alternatieve benadering voor de maatgevende afvoer. Het onderscheid met de voor Rijkswaterstaat uitgevoerde onderzoeken is vanaf de derde processtap kenmerkend. Zo hebben beide alternatieve onderzoeken een reeks met historische afvoeren van vóór 1911 toegevoegd en is de toegepaste statistiek verschillend. Uiteraard leidt dat tot een andere maatgevende afvoer. In hoofdstuk 4, 5 en 6 worden de alternatieve onderzoeken naast de Rijkswaterstaatonderzoeken geëvalueerd.

1.4 Methodiek voor de analyse

De evaluatie van de onderzoeken geschiedt op basis van een uitgebreide analyse naar de

onzekerheden in de processtappen van de maatgevende afvoer die voor de verschillende studies

gebruikt zijn. Om de analyse zo consequent mogelijk uit te voeren wordt voor dit onderzoek gebruik

gemaakt van één methode. Onder het devies ‘’Robuuste kennis voor duurzaamheid” (vrij vertaald van

de website nusap.net) hebben twee Amerikaanse onderzoekers en een Nederlandse onderzoeker

(Funtowicz & Ravetz, Van der Sluijs, 1990) gezamenlijk een kennisbank opgezet onder andere ter

bevordering van de consensus over onzekerheidsanalyses bij de totstandkoming van beleidsprocessen. Daarvoor is de zogenaamde NUSAP methode ontwikkeld waarin zowel kwantitatieve als kwalitatieve aspecten betrokken worden voor de onzekerheidsanalyse. De NUSAP methode is eerder al gebruikt voor een aantal publicaties van het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) en het Milieu en Natuurplanbureau (MNP). De methode wordt voor dit onderzoek toegepast en bevat de volgende onderdelen met beschrijvingen gedeeltelijk overgenomen uit Van de Sluijs (2005a):

Kwantitatief

Numeral: Bij de analyse naar een reeks data is de omvang van de getallen van betekenis voor de

interpretatie. Wanneer de reeks voornamelijk bestaat uit miljoenen dan hebben verschillen in in de orde van het getal 1 een niet zo grote betekenis, met uitzonderingen daargelaten. Er wordt op gedoeld om de grote aantallen te omschrijven met ordegroottes van tien. Zoals 1000 te omschrijven is als 1 E3. Bijvoorbeeld de optelsom 1 E6 + 5 E0 = 1 E6. Het getal 5 (5 E0) valt weg in de ordegrootte miljoen (E6).

In geen van de te analyseren data voor dit onderzoek wordt met ordegroottes gewerkt. Bij de reeks jaarmaxima liggen de afvoeren in het bereik van ongeveer 700 m

/s tot 3.000 m

/s. De afvoeren zijn met een nauwkeurigheid van 1 m

/s gegeven. Vanwege het relatief smalle bereik hoeft geen rekening te worden gehouden met interpretatieverschillen. Voor de waterstanden die over een bereik van ongeveer 5 meter kunnen verschillen ligt de nauwkeurigheid op 1 cm, vergelijkbaar met die van de afvoeren. Het dwarsprofiel dat tegenwoordig nauwkeurig opgemeten kan worden, heeft wel te maken met interpretatieverschillen met name tijdens hoogwater. In hoofdstuk 2 paragraaf 2.4 wordt dit aan de hand van een voorbeeld toegelicht.

Unit: De eenheden welke in dit onderzoek de waterstand in m, stroomsnelheid in m/s, het dwarsprofiel

in m

en de afvoer in m

/s zijn, hebben allen een belangrijke additionele eenheid namelijk de datum.

Uit de datum waarop de gegevens zijn geproduceerd kan worden afgeleid onder welke omstandigheden deze zijn verkregen. De hoofdstukken 1 en 2 worden gekenmerkt door een periodieke onderverdeling vanwege veranderde omstandigheden. Het aspect unit is inherent aan de analyse van de data en wordt zodoende niet als apart element aan elk deelproces toegevoegd. Er wordt bij de analyse van de data van tevoren rekening mee gehouden. Nadat de data verzameld en geordend is kan gestart worden met de onzekerheidsanalyse berustend op de volgende punten.

Spread: De spreiding van de data is de bandbreedte van de afwijkingen van de metingen op één

locatie. De afwijking wordt in dit onderzoek aangeduid als de procentuele onzekerheid van de data.

Voor dit onderzoek gaat het om de data voortgekomen uit de veldmetingen op de Maas. Dit zijn de

waterstandmetingen, stroomsnelheidmetingen en dwarsprofielmetingen. Figuur 1.3 geeft een

schematische voorstelling van soorten meetfouten. In de Figuur wordt gesproken van fouten maar dat

geeft een ietwat verkeerde voorstelling. Een veldmeting zoals voor de stroomsnelheid die weer

bestaat uit een serie metingen zal vanwege de variabele omstandigheden nagenoeg nooit gelijke

resultaten geven. Dat is een ander geval dan bijvoorbeeld in een productieproces waar metalen

plaatjes op dikte worden gemeten. Afwijkingen in de plaatjes zijn in feite productiefouten die opgevat

mogen worden als toevallige fouten. Maar afwijkingen in veldmetingen kunnen óók veroorzaakt zijn

door natuurlijke variabiliteit. Dat neemt uiteraard niet weg dat er spreiding voorkomt in de gegevens

welke bijdraagt aan de onzekerheid. De toevallige fout in de metingen kan op een praktische manier

berekend worden. De spreiding in de individuele waarden van de duplometingen (meervoudige

metingen onder gelijke omstandigheden) om de gemiddelde waarde van de duplometing is dan een

maat voor de meetonzekerheid (Arnold, 2004). De systematische fout is alleen te benaderen omdat

niet precies bekend is wat de werkelijke waarde is waarop de meting is berust. Vooral bij

veldmetingen in en rond de rivier is het vanwege de omvang nagenoeg onmogelijk om alle

op een bepaalde locatie in de rivier passeert. In principe is dat op geen enkele manier exact te bepalen. Factoren die nauwelijks te meten of te interpreteren zijn zoals grondwaterstromingen, turbulentie, locale wrijvingsverliezen en wind hebben wel degelijk effect op het stromingsgedrag.

Afwijkingen van de meetapparatuur die eveneens een systematische fout kunnen veroorzaken, zijn te achterhalen door ijkmetingen uit te voeren. Met behulp van een stroomgoot in een laboratorium waarmee het debiet exact is in te stellen, kan de uitvoer van het meetinstrument worden gecontroleerd. Bij constatering van een systematische fout moet het instrument worden afgesteld.

Aangezien er ten tijde van dit onderzoek geen laboratoriumresultaten ter beschikking zijn gekomen, wordt de bepaling van de systematische fout buiten beschouwing gelaten.

Alle afwijkingen, onnauwkeurigheden en onzekerheden die uit te drukken zijn in een procentuele marge onzekerheid, dragen bij aan de uiteindelijke beoordeling van de kwaliteit van de maatgevende afvoer.

Kwalitatief

Assesment: De kwalitatieve beoordeling staat in direct verband met de Pedigree tabel die hierna

wordt behandeld. In de Pedigree tabel is onderscheid gemaakt tussen empirische, methodische en statistische beoordelingscriteria. Om de Tabel te gebruiken moet dus eerst op deze aspecten een analyse worden uitgevoerd.

Pedigree: Na de analyse gebeurt de beoordeling door het toekennen van een bepaalde score

oplopend van 0 tot en met 4 voor een slechte respectievelijk goede kwaliteit. De beoordeling gebeurt aan de hand van het vinden van overeenkomsten tussen de door NUSAP omschreven kwaliteiten en de waargenomen kwaliteiten volgend uit de analyse. De omschreven kwaliteiten volgens NUSAP zijn beschreven in een Tabel. Voordat daarop wordt ingegaan, volgt eerst een toelichting gegeven over de betekenis van de methodische, empirische en statistische kwaliteit.

- De methodologische kwaliteit verwijst naar de normen voor methodologische rigiditeit in het proces dat door experts in de relevante disciplines wordt toegepast. De reeds lang gevestigde en gerespecteerde methodes om de gegevens te interpreteren en toe te passen zullen een hoge score verdienen, terwijl de onbeproefde of onbetrouwbare methodes lager scoren (3). Het ’proces’

duidt voor dit onderzoek op de afzonderlijke deelprocessen voor bepaling van de maatgevende afvoer zoals weergegeven in Tabel 1.

- De empirische kwaliteit verwijst naar de mate waarin directe observaties worden gebruikt om een parameter te schatten. Wanneer een parameter op een relatief groot aantal waarnemingsgegevens wordt gebaseerd, dan is de NUSAP score hoog. Soms zijn direct waargenomen gegevens niet beschikbaar en wordt de parameterschatting gebaseerd op gedeeltelijke metingen of berekend vanuit onafhankelijke data. De parameters die door dergelijke

Figuur 1.4 Meetfouten (Arnold, 2004)

indirecte methodes worden bepaald hebben een zwakkere empirische basis en zullen over het algemeen lager scoren dan die gebaseerd op directe observaties (3).

- De statistische kwaliteit is afhankelijk van de parameteronzekerheid en kansverdelingstype- onzekerheid. Het is dus een toetsing van de kwaliteit van de fit van de kansverdelingsfuncties.

Deze aspecten komen aan de orde bij deelproces 4, de toegepaste statistiek. Voor de eerste drie deelprocessen komt de statistiek niet aan de orde. Het kan voorkomen dat statistiek een kleine rol heeft gespeeld om de representativiteit van een set data te controleren maar in het onderzoek naar de maatgevende afvoer is daarvan geen sprake. Het vierde deelproces waarin statistiek een primaire rol bezit, heeft uiteraard te maken met de twee typen onzekerheden. De verschillende onderzoeken die in dit rapport zijn onderzocht bieden een goed uitgangspunt voor het doen van een vergelijkende analyse naar de parameter- en kansverdelingstype-onzekerheid.

Nadat van elk deelproces is achterhaald welke methode op welke manier is toegepast, het aantal directe observaties in relatie tot niet-directie observaties is gebruikt en voor deelproces 4 de onzekerheden van de gebruikte statistiek zijn bepaald, kan de Pedigree tabel (Tabel 1.1) ter hand worden genomen. Wanneer de analyse is gebeurd en een score is toegekend, dan is daarmee de kwalitatieve beoordeling voor de verschillende deelprocessen gemaakt. Voor de uiteindelijke beoordeling van de maatgevende afvoer geven de afzonderlijk geëvalueerde scores een goede indicatie van de hiaten in de processtappen. In hoofdstuk 5 en 6 wordt verder ingegaan op de resultaten van de NUSAP analyse.

Met de toegekende scores voor alle individuele parameters kan de volgende en laatste stap worden uitgevoerd. De berekening van de maatgevende afvoer is gebaseerd op afhankelijke parameters.

Zonder de eerste processtap kan de tweede niet worden uitgevoerd, en zo verder. De doorwerking van de processtappen geldt ook voor de doorwerking van de onzekerheden. De onzekerheid van de meting wordt meegenomen in de QH-relatie, vervolgens de tijdserie en tenslotte in het

Score Statistische

kwaliteit Empirische kwaliteit Methodische kwaliteit 4 uitstekende aanpassing

naar een bekend statistisch model (Normaal, Lognormaal, Binomiaal enz.)

gecontroleerde experimenten

& groot aantal directe metingen.

goedgekeurde standaard in gevestigde discipline.

3 goede aanpassing naar een betrouwbaar statistisch model welke de meeste hulptests heeft doorstaan, maar niet allemaal.

Historische/veldgegevens, ongecontroleerde

experimenten, klein aantal directe metingen.

betrouwbare methode, die bekend is binnen de discipline.

2 hulptests niet beduidend gepasseerd, model geen duidelijke betrekking op gegevens, of model gekozen op basis van gelijkaardige gegevens

gemodelleerde gegevens, indirecte maten, handboek schattingen.

aanvaardbare methode, maar beperkte consensus op betrouwbaarheid.

1 geen statistische tests,

subjectief model. met enige kennis gemaakte schattingen, heel indirecte benaderingen, "vuistregel"

schatting.

niet bewezen methoden, twijfelachtige betrouwbaarheid.

0 Onwetend model

(Uniform) Puur gissen. Puur subjectieve method.e

Tabel 1.1Pedigree matrix voor onzekerheidsanalyse (Ellis et al. 2000a)

toegevoegd om de voortplanting van de onzekerheden te bepalen. De kwantificeerbare en kwalificeerbare onzekerheden worden daarvoor apart geanalyseerd. NUSAP heeft voor de voortplanting van onzekerheden een aantal richtlijnen gegeven. Het resultaat van de analyse geeft een indruk van de onzekerheden in de maatgevende afvoer afkomstig uit de deelprocessen. Op basis daarvan wordt de kwaliteit van de maatgevende afvoer beoordeelt.

2. Meting H en Q

2.1 Inleiding

In dit hoofdstuk wordt uiteengezet op welke wijze de waterstanden, afvoeren en het dwarsprofiel door Rijkswaterstaat Limburg gemeten en berekend worden vanaf het begin van de officiële metingen in 1917. In de periode 1911 tot 1917 zijn in Nederland geen debietmetingen uitgevoerd en zijn door Rijkswaterstaat de gegevens overgenomen van Belgische metingen in Visé. De Belgische meetgegevens zijn echter nog na 1917 gebruikt ter controle vanwege de bodemdaling in Nederland.

Hoofdstuk 3 gaat daar verder op in. Dit hoofdstuk beperkt zich tot de Nederlandse metingen omdat er over de vroegere Belgische metingen en werkwijzen geen informatie beschikbaar is gekomen. Zelfs over de Nederlandse metingen in het begin van de 20

eeuw is maar beperkte informatie beschikbaar gekomen. Uit interviews met deskundigen (Tekstra, 2006 en Gerretsen, 2006) van Rijkswaterstaat Limburg zou de oorzaak van het ontbreken van deze informatie te maken kunnen hebben met de oorlogssituatie midden jaren ’40 en verhuizingen en reorganisaties bij Rijkswaterstaat. De beschikbare informatie over de metingen zijn afkomstig uit de rapporten van het Boertien I- en Boertien II onderzoek en uit interviews met dezelfde deskundigen.

De meetapparatuur die gebruikt is voor de metingen bij St. Pieter, Maastricht en Borgharen is in de loop van de tijd vervangen dan wel doorontwikkeld. Ging het tot de eerste helft van de 20

eeuw voornamelijk handmatig, tegenwoordig zijn er automatische meetstations voorzien van digitale apparatuur. Deze zijn gelegen zowel ten Noorden van Maastricht bij Borgharen benedenstrooms van de stuw en in Sint Pieter, ten Zuiden van Maastricht. Figuren 2.1 en 2.2 geven de huidige meetlocaties weer.

In Borgharen zorgt een digitale niveaumeter (DNM) voor continue registratie van de waterstand en in St. Pieter zorgt zowel een DNM als Akoestische Debietmeter (ADM) voor continue registratie van waterstand en afvoer. Voor de afvoerbepaling in Borgharen wordt een QH-relatie gebruikt. Om de actualiteit van de QH-relatie van Borgharen te controleren worden incidenteel en dan met name tijdens hoogwaters stroomsnelheidmetingen verricht vanaf een boot uitgerust met akoestische meetapparatuur. Tegelijkertijd wordt het dwarsprofiel ‘A’ gemeten. Door vervolgens de stroomsnelheid

Figuur 2.1 Metingen Borgharen tot 1.200 m³/s Kilometerraai 16,0. Figuur 2.2 Metingen St. Pieter boven 1.200m³/s. Kilometerraai 10,8.

‘u’ met het oppervlak van het natte dwarsprofiel te vermenigvuldigen wordt de afvoer ‘Q’ verkregen, immers Q (m

/s) = u (m/s) · A (m

). Het oppervlak is afhankelijk van het actuele bodemniveau van het zomerbed, terreinhoogten van het winterbed en de waterstand.

Bij Borgharen worden metingen bij voorkeur uitgevoerd zolang de Maas alleen in het zomerbed stroomt ofwel, tot een afvoer van ongeveer 1.200 m

/s. Wanneer de Maas een hogere afvoer te verwerken krijgt en daardoor de uiterwaard ter plaatse zal overlopen, dan worden metingen in St.

Pieter uitgevoerd. St. Pieter heeft tijdens hogere afvoeren een gelijkmatiger en smaller dwarsprofiel dan Borgharen waardoor het varen met de meetboot minder problemen geeft. In bijlage 1 is te zien dat metingen bij Borgharen die verricht zijn boven afvoeren van 1.200 m

/s verschillen met de QH- relatie vertonen tot wel 13%. Bij St. Pieter zijn de verschillen niet groter dan 5%. Met behulp van een waterbalans is het mogelijk om een controle uit te voeren voor de hogere afvoeren bij Borgharen. De waterbalans bestaat uit het inkomende debiet bij St. Pieter minus het debiet van Borgharen, het Julianakanaal, overlaat Bosscherveld en nog drie kleine zijrivieren (Barneveld, 2004). Met behulp van de waterbalans blijken de verschillen tussen de QH-relatie Borgharen en de metingen ook niet meer dan 5% te zijn.

2.1.1 Hoogwatermetingen

Tot 1965 werden afvoeren boven de 1.200 m

/s gemeten tussen de St. Servaasbrug en de Wilhelminabrug in Maastricht (Gerretsen, pers. comm. 2006). Het voordeel van deze locatie was dat de Maas hier door een soort bakprofiel stroomt zodat het stroomgedrag makkelijker kon worden geïnterpreteerd. Ondanks dat waren de omstandigheden midden in de stad niet ideaal vanwege de gebrekkige ruimte voor het opstellen van de meetinstrumenten en de tijdsbeslag van de meting. Er moest een andere locatie gevonden worden waar metingen zonder hinder uitgevoerd konden worden.

Zodoende worden sinds 1965 de hogere afvoeren verder bovenstrooms gemeten bij St. Pieter. Deze meetlocatie is echter pas sinds 1996 toegevoegd aan het officiële Monitoring Systeem Water (MSW) meetnet na installatie van een permanent meetstation.

De waterstanden en afvoeren bij St. Pieter worden met de DNM elke 10 minuten geregistreerd. De registratie verschijnt direct op het Internet (1). Het resultaat hiervan is weergegeven in Figuur 3 waar de afvoer is gevisualiseerd voor een periode van zes dagen. In de Figuur is de hoogwatergolf weergegeven die is gepasseerd tussen 9 en 14 maart 2006.

Aangezien de maatgevende afvoer is gebaseerd op afgeleide topafvoeren, is het van belang te weten onder welke omstandigheden deze hoge afvoeren gemeten zijn. De voor dit onderzoek interessante afvoeren liggen boven de 1.500 m

/s. Bij deze afvoer is de Maas bij Borgharen niet meer gestuwd en overstromen de uiterwaarden. Tijdens deze omstandigheden wordt het meten complexer. Metingen

Figuur 2.3 Q-t relatie Borgharen maart 2006 (1)

één hand te tellen. Om precies te zijn hebben dergelijke situaties zich voorgedaan in 1926, 1993, 1995 en 2003.

De meting van de stroomsnelheid gebeurt bij voorkeur onder stationaire omstandigheden maar vanwege de snelle afvoerwisselingen van de Maas is nagenoeg geen sprake van een gelijkmatige stroomsnelheid onder het tijdsbestek van de meting. Door de fluctuaties kan de nauwkeurigheid van de metingen in het geding komen. In de winterperioden wanneer de meeste jaarmaxima optreden zijn de verschillen in afvoeren wel honderden m

binnen een paar uur. Naast de gebruikelijke waterstandfluctuaties door regenval zijn er nog een tweetal invloeden op de afvoeren in de Maas, namelijk het stuwbeheer in België en de manipulaties van de waterkrachtcentrale te Lixhe (in werking sinds 1980). De stuw bij Borgharen wordt bij een afvoer van 1.250 m

/s opengezet. De stuwen in België hebben een minder strikt stuwbeheer en worden bij afvoeren tussen de 1.500 en 2.500 m

/s opengezet. De eerste stuw in België te Monsin is in 1940 in werking getreden (Berger, 1992). Monsin ligt 27 kilometer bovenstrooms van Borgharen zodat van sterke afvoerschommelingen in Maastricht door het Belgische stuwbeheer geen sprake hoeft te zijn.

De verschillende meetmethoden die in de periode 1917-2003 zijn gebruikt hebben ieder hun specifieke onnauwkeurigheden gekend tijdens hoge afvoeren. Van alle gebruikte meetinstrumenten worden de onzekerheden zo goed mogelijk aan het licht gebracht. De aspecten waarop de onzekerheidsanalyse volgens de NUSAP methode worden geanalyseerd, worden in de volgende paragraaf toegelicht.

2.1.2 Beoordeling onzekerheden

De kwantitatieve elementen van NUSAP: het getal (N), de eenheid (U) en de spreiding (S) worden in één keer geanalyseerd. Van de waterstand in cm wordt bepaald in hoeverre variaties tijdens een meting kunnen voorkomen. Voor de stroomsnelheid in m

/s wordt geanalyseerd hoeveel spreiding er in de meetgegevens is voorkomen tijdens een meetsessie. Hetzelfde geldt voor het dwarsprofiel.

Vanwege de verschillende meetinstrumenten die in de loop van de laatste honderd jaar zijn gebruikt wordt er periodiek onderscheid gemaakt.

De gekwalificeerde onzekerheden worden beoordeeld (A) met behulp van de Pedigree tabel. De onzekerheidsbronnen van de meetonzekerheid worden onderworpen aan de toetsingscriteria methodische en empirische kwaliteit. Onzekerheidsbronnen die invloed hebben op de empirische en methodische kwaliteit zijn:

1. Onzekerheden in de meetdata (empirische kwaliteit);

2. Onzekerheden met betrekking tot de uitvoering van de meting (methodische kwaliteit);

3. Onzekerheden met betrekking tot het functioneren van de apparatuur.

Ad. 1) Het verschil tussen de gemeten waarden en de werkelijke waarden wordt veroorzaakt door systematische en toevallige fouten (zie paragraaf 1.4). De systematische fout wordt voor dit onderzoek buiten beschouwing gelaten. De toevallige fout aangeduid als de spreiding is afhankelijk van de marges die voorkomen in de resultaten van de duplometingen.

Ad. 2) Voor de onzekerheid met betrekking tot de uitvoering van de metingen gaat de aandacht alleen uit naar de hoogwatermetingen. In hoeverre de meting beïnvloedt wordt door buitengewone omstandigheden, bepaalt in welke mate afgeweken moet worden van de standaard procedures.

Hoe meer er van de standaard procedures wordt afgeweken, des te minder basis bestaat er nog

voor de verificatie van de resultaten. Wanneer metingen zijn verricht in een meer natuurlijk gevormd

dwarsprofiel zoals St. Pieter in plaats van het kanaalvormige rivierprofiel zoals in Maastricht, wordt

het meetresultaat ook lastiger te interpreteren vanwege de non-uniformiteit. Analyse van de

meetresultaten moet uitmaken of er daadwerkelijk sprake is van interpretatieverschillen. De NUSAP kwaliteitsbeoordeling voor de methodologie is hiervan afhankelijk.

Ad. 3) Als gevolg van bezwijken of falen kan een instrument zijn functie niet meer vervullen. Een instrument kan falen als gevolg van bijvoorbeeld een technische storing of een energiestoring. Van de meetstations Borgharen, St. Pieter en voorheen Maastricht is niet bekend of een dergelijke situatie is voorgekomen. Of de instrumenten sinds het begin van het meten volgens de gebruikelijke opgave heeft gefunctioneerd is moeilijk te achterhalen. De gehandhaafde meetprotocollen en logboekregistraties zouden hierover meer kunnen vertellen maar zijn niet boven water gekomen ten tijde van dit onderzoek. De systematische fout die hiermee samenhangt is daardoor niet te beoordelen. Laboratoriumonderzoek met een stroomgoot afgesteld op een bekend debiet zou meer uitsluitsel kunnen geven over de systematische fout van de verschillende gebruikte instrumenten.

Navraag bij Rijkswaterstaat Limburg over rapportages van dergelijke onderzoeken heeft geen resultaten opgeleverd. Er bestaat zodoende te weinig informatie om de systematische fout van de gebruikte instrumenten te beoordelen. Voor het vervolg in dit onderzoek zullen alleen de toevallige fouten geanalyseerd worden (zie ad.1).

2.2 Meetinstrumenten

Tabel 2.1 geeft een overzicht van de gebruikte meetapparatuur die door de meetdienst van Rijkswaterstaat Limburg is gebruikt. De eerste stroomsnelheidmetingen gebeurde met stokdrijvers welke later vervangen zijn door kettingdrijvers. Daarna volgden de Ott-molens en tegenwoordig de akoestische meetapparatuur. Ook de apparatuur voor het meten van de waterstand en het dwarsprofiel is gewijzigd. De waterstand werd tot ver in de 20

eeuw gemeten met een peilschaal en later met de automatische peilschrijver. Tegenwoordig wordt de waterstand bij Borgharen gemeten met een digitale niveaumeter (DNM). Het meten van het bodemniveau in het zomerbed gebeurt met een meetschip uitgerust met een lodingsysteem en de uiterwaarden met behulp van landmeetapparatuur.

1917-1956 1956-1965 1965-1975 1975-2000 2000-

Waterstand Peilschaal beneden de sluis km.15,46

Peilschaal beneden de sluis km. 15,46

Peilschaal beneden de sluis km. 15,46

1974 Registrerende peilschrijver km.16 1987 DNM geplaatst

Digitale niveaumeter (DNM) km.16

Stroomsnelheid Stokdrijver/

kettingdrijver Ott-molen Ott-molen Ott-molen ADCP

Debiet ^ADM

Dwarsprofiel Droge oeverbepaling:

Waterpas en raaipalen Natte profiel:

Peilstok

Droge oeverbepaling:

Waterpas en raaipalen Natte profiel:

Peilstok

Droge oeverbepaling:

Theodoliet en raaipalen Natte profiel:

staaldraad met merktekens en peilstok

Droge oeverbepaling:

Theodoliet en raaipalen Natte profiel:

staaldraad met merktekens en peilstok

Droge oeverbepaling:

Raaipalen en GPS RTK¹ Natte profiel:

meetschip en lodingsysteem

Tabel 2.1 Overzicht gebruikte meetinstrumenten Borgharen (pers. comm. Tekstra, 2006)